520，中国科学家用新发现的 212 颗脉冲星向祖国表白！

“这项工作是中国脉冲星研究的里程碑，不仅仅是发现这么大批量的脉冲星，而是因为我们在世界上率先进入微 Jy 高灵敏度脉冲星搜寻区。” 被自己的新闻刷屏了一天的中国国家天文台研究员韩金林，谈起团队刚发表的成果，依然十分激动。

同事告诉他 “今天圈里被您刷屏了”，他却答道：“这个是祖国的希望，最高领导的嘱托！”

他表示：“脉冲星的发现和研究，是国际上大射电望远镜关键科学目标之一，是在科学前沿‘逐鹿中原’的必争之地。”

图 | 韩金林团队（来源：受访者）

韩金林团队使用 FAST 望远镜开展了银道面脉冲星巡天，最新发现了 212 颗脉冲星，这些脉冲星中包含 42 颗毫秒脉冲星、16 颗脉冲双星、一批最暗弱的脉冲星、一批模式变化和消零脉冲星、可挑战当代银河系电子分布模型的大色散量脉冲星、以及射电暂现源等。

图 | 通过 FAST 的 19 束接收机三次切换形成 4x19 波束的天空快照，完整覆盖 0.1575 平方度的天空面积（来源：受访者）

北京时间 5 月 20 日，相关论文以《FAST 银河系飞机脉冲星快照调查：项目设计和脉冲星发现》（The FAST Galactic Plane Pulsar Snapshot survey：I. Project design and pulsar discoveries）为题发表在《天文和天体物理学研究》上，并作为当期封面文章。

图 | 《天文和天体物理学研究》当期封面文章

据了解，该期刊由中国科学院国家天文台和中国天文学会主办，是目前中国天文领域唯一的 SCI 期刊。

图 | 相关论文（来源：《天文和天体物理学研究》）

又迷人、又奇异的脉冲星

脉冲星（Pulsar）是宇宙中磁场最强、自转最快、密度最高、相对论效应较为显著的天体，其特质迷人且奇异，被认为是研究宇宙极端环境中物理规律的理想实验室。

脉冲星的主要特征是会发射周期性的脉冲，其周期一般在 1.4 毫秒 - 23 秒之间。针对 10 年以上的脉冲星测时观测表明，脉冲星周期具有长期稳定性，而一类短周期脉冲星的周期，能跟地球上最好的原子钟相媲美，又被称为 “毫秒脉冲星”。

图 | 新发现的脉冲星在银河系中的位置（来源：受访者）

1967 年 10 月，剑桥大学卡文迪许实验室发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为 1.337 秒。起初该实验室还以为是外星人发来的信号，但之后被确认为一类新的天体。这就是脉冲星的发现和确认，并被认为是 20 世纪 60 年代天文的四大发现之一。

后来天文学家发现了双星，通过监测对引力波辐射做出了首次物理验证。由于意义重大，与脉冲星相关的研究获得了两次诺贝尔物理学奖。从 1967 年至今的 54 年间，天文学家总共发现大约 3000 颗脉冲星，其中大约有 400 多颗是毫秒脉冲星。

来自中国的 FAST 是 500 米口径球面射电望远镜的简称，别称 “中国天眼”，是当前全球灵敏度最高的射电望远镜，其配备的 19 波束 L 波段接收机，使其成为目前世界最强的脉冲星搜寻利器。它肩负的关键科学目标之一正是发现并研究脉冲星，其中还涉及精确验证广义相对论、限制极端物理条件下的物态方程、高精度时空基准建立、引力波探测等重要问题。

本次韩金林团队提出使用 FAST 进行脉冲星快照巡天（the Galactic Plane Pulsar Snapshot survey，GPPS），对银道面区域轮流进行 5 分钟的暗弱信号积分，使银河系大面积脉冲星系统性搜寻得以进入 μJy 量级的灵敏区域。

相比此前最灵敏的美国 Arecibo 望远镜 PALFA 巡天，此次 FAST 发现了 212 颗新脉冲星来看，其灵敏度高出美国的大约一个数量级，即新一批被发现的最暗弱脉冲星流量仅为 5μJy 左右。

具体而言，新发现的脉冲星主要包含这几类：

  • 第一类，是在业内被称为正常脉冲星的星星，此次占比也最大；
  • 第二类，有 42 个是周期特别短并且转动高度稳定的毫秒脉冲星，占总数的 20%；
  • 第三类，有 16 个脉冲星有非常亲密的伴侣，是密近双星；
  • 第四类，还有一部分经常停止辐射的脉冲星，甚至仅仅偶然辐射脉冲的脉冲星；
  • 第五类，还有几个超长周期的脉冲星，周期达到 5 秒以上。

韩金林说，特别有意思的是几个脉冲星居然显得特别远，好像是银河系之外的。

此次新发现的脉冲星，给当代通用银河系电子分布模型带来了挑战。具体而言，FAST 的探测结果表明，部分特殊脉冲星的色散量，远超当下最好的银河系电子分布模型（NE2001 和 YMW16）的估计。

如果利用模型来估算脉冲星的距离，就会发现脉冲星大概率均位于银河之外。可能的原因是银河系在相关方向存在旋臂（Spiral Arms），其中含有大量电子气体云团，因此在银河系模型中的云团数目、或者是云团中的电子密度可能被严重低估。对此，韩金林表示：“这些脉冲星可能对我们理解银河系的电子分布有重要的意义。”

图 | 这些脉冲星（五角星）的电波色散 DM （色散量）表现出异常。它们位于银河系本地旋臂和人马座旋臂方向。那里大量电离气体的团块显然贡献了显著的电波色散 DM 值（来源：受访者）

如下图所示，其展示的是新发现脉冲星的色散量、和两种银河系电子密度模型估计的最大色散量值的比较，上面显示所有脉冲星的色散量，均超出银河系电子密度模型 NE2001 在此方向的最大值，而 6 颗脉冲星则超出银河系电子密度模型 YMW16 给出的最大值。

图 | 新发现脉冲星的色散量、与两种银河系电子密度模型估计的最大色散量值的比较（来源：受访者）

在 GPPS 巡天早期结果中，42 颗毫秒脉冲星也被发现，而且至少有 14 颗毫秒脉冲星位于紧密近双星系统中。这一成果可用于探测遥远星系的低频引力波、以及建立脉冲星时间和空间基准，此外其中一些脉冲星还可作为检验引力理论的 “绝佳利器”。

另外，大约 12 颗模式变换或消零脉冲星、1 颗旋转射电暂现源（RRAT）以及与超新星遗迹成协的脉冲星，也是本次 GPPS 巡天的探索成果。这些特殊的脉冲星对于研究脉冲星辐射物理机制，将起到重要意义。

随后，GPPS 巡天团队记录并分析了偏振数据，并公开了 8 颗脉冲星的偏振参数和法拉第旋率，并使用这些高清灵敏的数据对 64 颗已知脉冲星的物理参数做了改进。

为何能有这样大规模的集中发现？

谈及为何能有这样大规模的集中发现？韩金林告诉 DeepTech ：“首先是有 FAST 这个高灵敏度的望远镜，得到运行团队支持，使得望远镜好用；其次我们团队采取 5 分钟凝视和快速切换的方式观测，增加了灵敏度和望远镜的使用效率。团队成员紧密合作，每个步骤都做到位，不然很难有这么大批量的发现；再就是，当这些发现和验证需要大量望远镜观测机时，感谢 FAST 科学委员会批准让我们用。”

谈及此次成果的意义，他表示：“这次大批量发布的脉冲星，种类非常齐全。对这些脉冲星进行长期监测，可能对天体辐射、引力理论检验等学科前沿有重要推进作用。长期以来，一直都是西方国家对科学前沿研究做非常大的主导性的贡献，这次我们中国天文学家终于做了比较好的贡献。希望经过一段时间的努力，我们争取成为全世界脉冲星的研究中心。”

回顾过往，该团队一步一个脚印地坚持着自己的科研：2019 年 3 月，该团队刚刚完成初期观测模式试验，就忙着搭建数据处理平台。一群年轻人 “五一”、暑假甚至国庆节都一直忙碌着，经过初步处理，结果发现了一批脉冲星。当年年底 FAST 科学委员会将其选定为重大优先观测项目之一。

图 | FAST-GPPS 巡天要在 5 年内完成蓝线概述的银河盘 ±10◦的天空区域（来源：受访者）

2020 年初，GPPS 巡天项目的观测正式开启，直到 2021 年 3 月，GPPS 累计观测约 126 平方度银道面区域，尽管只占不到 5% 的巡天项目总体规划，所取得的成果已经颇为丰硕，发现一大批脉冲星。

美国康奈尔大学 (Cornell）的吉姆·柯迪斯（Jim Cordes）教授表示：“毫无疑问，后续对这些毫秒脉冲星的测时观测可以用来探测来自遥远星系的低频引力波，还可用于建立脉冲星时间和空间基准，其中一些脉冲星将会成为检验引力理论的绝佳利器，因此这些发现是对该领域的一个显著贡献。”

澳大利亚 CSIRO 天文和空间科学研究员、澳大利亚科学院院士 R. N. (Dick) Manchester 教授（R.N.（Dick）曼彻斯特）是本次论文的特约审稿人之一，他在《天文和天体物理学研究》专栏发表评论称：“作为一个巡天项目早期阶段，这数目令人印象非常深刻。论文揭示了 FAST 在脉冲星天文学特别是脉冲星搜寻方面的大好前景。”